李 揚，鄭尊清，陳 鵬，王夢凱，王 滸，堯命發(fā)

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300350)

汽油壓燃利用汽油高揮發(fā)性、高辛烷值的燃料特性可以實現(xiàn)較大比例的預(yù)混燃燒，是一種潛在的高效清潔的新型燃燒模式，以重型柴油機為平臺的汽油壓燃發(fā)動機，與柴油機的熱效率相近，同等NOx排放下比柴油的碳煙排放潛力更低[1-3]．然而低負(fù)荷運行時的燃燒穩(wěn)定性是制約汽油壓燃應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一．國內(nèi)外學(xué)者對此展開了大量的研究，如通過增壓和加熱策略[4]、氣門策略(氣門重疊角或排氣門二次開啟等)[5-6]等技術(shù)增加缸內(nèi)熱力學(xué)氛圍，提高燃料的活性或十六烷值，從而降低燃料著火對高缸內(nèi)熱力學(xué)氛圍的需求等[7-8]，均可以提高低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性．然而實際發(fā)動機在低負(fù)荷工況下難以獲得汽油燃料穩(wěn)定壓燃著火所需要的高進氣溫度和壓力；內(nèi)部EGR必須在已經(jīng)燃燒的情況下才能起到明顯提高缸內(nèi)溫度的作用，無法滿足起動工況甚至冷起動的要求．提高燃料活性、改善汽油壓燃低負(fù)荷燃燒的方法也具有局限性，目前，高活性汽油并不能從市場大量獲取，并且采用降低辛烷值的方法會對高負(fù)荷性能和排放帶來負(fù)面影響．

火花點火作為汽油機實現(xiàn)著火和燃燒控制的常規(guī)手段，通過火花塞放電提供額外能量促使火核形成，從而降低著火過程對缸內(nèi)熱力學(xué)狀態(tài)的依賴，為實現(xiàn)汽油壓燃低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒提供了一個有效、可行的技術(shù)途徑．Benajes等[9-11]、Pastor等[12]和Desantes等[13]將輕型柴油機(缸徑為85mm、單缸排量為0.54L)的一個排氣門改裝并安裝火花塞，利用噴油器噴霧油束直接噴在火花塞電極處的方法開展研究，結(jié)果表明：在低負(fù)荷工況下，通過火花點火策略對燃燒穩(wěn)定性的提升效果比較明顯．而基于重型柴油機平臺進行的火花輔助汽油壓燃(SAGCI)研究則鮮見報道．重型柴油機作為商用車的主要動力源，消耗了大量的石油資源，根據(jù)美國橡樹嶺國家實驗室的《運輸能源數(shù)據(jù)手冊》可知，只占道路車輛總數(shù)4%的3～8級卡車卻消耗了美國25%的運輸燃料[14]．在未來乘用車電動化的發(fā)展趨勢下，世界能源委員會也做出了柴油需求持續(xù)增長、汽油需求呈降低趨勢的市場預(yù)測[15]．

基于重型壓燃式發(fā)動機開展汽油壓燃，尤其是低負(fù)荷下火花輔助汽油壓燃的研究，對重型發(fā)動機汽油壓燃的商用、提高汽油利用率和平衡汽、柴油供給具有重要意義．基于此，筆者通過一臺6缸重型柴油機改裝的單缸試驗機進行火花塞位置和燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并研究了進氣節(jié)流條件下單次噴射的噴油時刻(SOI)、點火時刻(ST)和噴油壓力對火花輔助汽油壓燃低負(fù)荷燃燒的影響，以期為重型發(fā)動機低負(fù)荷汽油壓燃穩(wěn)定燃燒的實現(xiàn)及控制提供參考．

1 試驗設(shè)備和方法

表1為試驗用發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)，表2為臺架試驗主要設(shè)備，圖1為試驗臺架示意．試驗缸由空氣壓縮機和節(jié)氣門共同控制進氣量，進氣壓力可調(diào)范圍為20～400kPa，進氣溫度控制由電加熱器耦合電控中冷器實現(xiàn)．點火系統(tǒng)由自制點火控制模塊、24V穩(wěn)壓電源、高壓線圈和火花塞構(gòu)成，點火能量為70mJ．缸壓采集的曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為0.5°,CA，為減小因循環(huán)變動產(chǎn)生的誤差影響，對每個測試工況采集100循環(huán)的氣缸壓力用于燃燒分析．

圖1 試驗臺架示意Fig.1 Schematic of test bench

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

表2 試驗主要儀器設(shè)備Tab.2 Main test instruments and equipments

噴油系統(tǒng)為一套由變頻電機驅(qū)動的博世高壓共軌系統(tǒng)，可實現(xiàn)噴油壓力、噴油時刻和噴油脈寬等控制．試驗燃料為98號商用國Ⅵ乙醇汽油(E10)，乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%，為提高共軌系統(tǒng)使用壽命，添加了體積比為0.5%的潤滑添加劑(HiTEC 4140F)，添加潤滑劑后燃料熱值為41.92MJ/kg，元素質(zhì)量比m(C)∶m(H)∶m(O)=83.68∶13.07∶3.25．

研究用火花輔助汽油壓燃重型單缸機是基于四氣門、高壓共軌柴油機改造而來．考慮原柴油機氣缸蓋噴油器、氣門布置及氣道、水套結(jié)構(gòu)限制，在進/排 氣門之間距離噴油器安裝中心線37.5mm處設(shè)計了火花塞安裝孔，火花塞側(cè)電極深入缸內(nèi)7.0mm；根據(jù)火花塞布置方案，筆者利用缸內(nèi)渦流和燃燒室壁面導(dǎo)流的作用，重新設(shè)計了燃燒室結(jié)構(gòu)，進一步通過噴油控制組織火花塞電極附近的混合氣濃度分布，如圖2所示．

圖2 火花塞位置示意Fig.2 Schematic of spark plug position

筆者在常用轉(zhuǎn)速為1500r/min、循環(huán)油量為33mg(凈平均指示壓力IMEPnet為0.4MPa附近)下，分析噴油和點火策略耦合對火花輔助汽油壓燃的影響，試驗條件見表3．循環(huán)油量為33mg對應(yīng)低負(fù)荷工況，選擇該循環(huán)油量是由于進氣溫度為40℃、進氣壓力為自然吸氣時汽油無法實現(xiàn)單純壓燃燃燒．該油量是接近于該條件下通過火花輔助實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的最小循環(huán)油量．同時，考慮自然吸氣時過量空氣系數(shù)φa仍較大，能穩(wěn)定燃燒的噴油和點火時刻范圍很窄，因而通過節(jié)氣門適當(dāng)減少進氣流量，使全局φa維持在1.5附近(進氣壓力為67.7kPa)，以提高燃燒穩(wěn)定性和控制參數(shù)調(diào)節(jié)范圍．

表3 試驗條件Tab.3 Test conditions

2 試驗結(jié)果及分析

研究中由于火花塞位置受限，電極附近容易形成稀混合氣區(qū)，而實現(xiàn)火花穩(wěn)定點火需要混合氣濃度處于合理范圍內(nèi)，這就使點火所需的混合氣更依賴缸內(nèi)濃度分層的組織．缸內(nèi)空氣運動對混合氣濃度分層具有重要影響，筆者基于火花塞布置進行燃燒室設(shè)計，利用缸內(nèi)渦流協(xié)同燃燒室壁面導(dǎo)流組織火花塞附近的混合氣濃度分層，而噴油壓力、噴油時刻和點火時刻是影響點火時火花塞電極附近混合氣分布的關(guān)鍵因素．

2.1 噴油和點火時刻對火花輔助汽油壓燃燃燒的影響

為揭示噴油和點火參數(shù)對火花輔助壓燃低負(fù)荷燃燒的影響，首先在噴油壓力為60MPa下研究了噴油時刻、點火時刻對火花輔助汽油壓燃燃燒過程的 作用．

圖3示出點火時刻為-22°,CA ATDC時不同噴油時刻的缸內(nèi)壓力和放熱率．缸內(nèi)峰值壓力隨噴油時刻提前先增大后減小，峰值壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角先提前后滯后．當(dāng)噴油時刻為-30°,CA ATDC時，峰值壓力最高且對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角提前最多．各噴油時刻下的放熱率曲線呈比較典型的先火焰?zhèn)鞑ズ笞匀挤艧岬膬呻A段放熱規(guī)律，該放熱率曲線與Benajes等[9-11]、Pastor等[12]和Desantes等[13]在輕型柴油機以及Zhou等[16]在汽油機火花輔助汽油壓燃試驗中得到的放熱規(guī)律一致，同時，Benajes等[9]通過光學(xué)診斷得到了該放熱規(guī)律為先火焰?zhèn)鞑?，從而提高缸?nèi)熱力學(xué)氛圍，達(dá)到未燃混合氣開始自燃條件，此時放熱率迅速升高．而Reuss等[17]在研究火花輔助汽油壓燃時，對火花塞放電后放熱率先緩慢增加，然后累積至一定量后，放熱率迅速升高的燃燒模式的各個階段定義為：火核形成、火核增長、火焰?zhèn)鞑ズ妥匀挤艧幔趫D3中，火花塞放電后形成火核，然后火核開始增長，在-20°,CA ATDC后按照噴油先后順序形成以火焰?zhèn)鞑ミ^程為主的峰值約為30J/(°)CA的緩慢放熱過程，即火焰?zhèn)鞑シ艧?，然后是以峰值約為100J/(°)CA的自燃放熱．放熱率峰值隨噴油提前先增大后減小、放熱峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角先提前后滯后，其原因主要在于同一點火時刻下火花輔助壓燃的燃燒更多受火花塞電極附近混合氣分層的影響，隨噴油時刻的提前，火花塞電極附近的混合氣濃度分層的點燃適宜程度先增加后降低，所以出現(xiàn)了隨噴油提前放熱峰值先前移再后移的現(xiàn)象．

圖3 噴油時刻對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響Fig.3 Effect of SOI on cylinder pressure and heat release rate

圖4為噴油和點火時刻對火花輔助汽油壓燃低負(fù)荷循環(huán)變動率、滯燃期、CA50和燃燒持續(xù)期的影響．汽油壓燃低負(fù)荷運行的難點在于由低的缸內(nèi)熱氛圍與汽油類燃料本身的低反應(yīng)活性共同造成的著火困難，燃燒循環(huán)變動大．

圖4a中，同一點火時刻下隨著噴油時刻推后，循環(huán)變動率先減小后增大，噴油時刻在-32°～-22°,CA ATDC之間時，循環(huán)變動率變化較?。瑫r，為保證燃燒穩(wěn)定性，噴油時刻與點火時刻間隔需要在一定的合理范圍內(nèi)，如點火時刻為-18°,CA ATDC時，兩者間隔為4°～14°,CA，而點火時刻為-24°,CA ATDC時，兩者間隔為4°～10°,CA．同一點火時刻下，滯燃期(定義為SOC-ST，其中SOC為始燃點，即放熱率開始顯著增加時的曲軸轉(zhuǎn)角[18])的長短和CA50出現(xiàn)的早晚可以作為評價混合氣分層的重要依據(jù)．

圖4b和圖4c中，同一點火時刻下，隨噴油提前，滯燃期先縮短后延長，CA50先提前后滯后，不同噴油時刻時，噴油時刻為-30°,CA ATDC下滯燃期最短且CA50最靠前；對于同一噴油時刻，適當(dāng)推遲點火時刻可以獲得更短的滯燃期．對于CA50，同一噴油時刻下點火時刻的影響并不明顯，SAGCI燃燒模式的CA50處于自燃放熱階段(圖3和4c)，此時火焰?zhèn)鞑ミ^程已經(jīng)結(jié)束，因噴油和點火間隔改變而改變的混合氣分布變化對火焰?zhèn)鞑ミ^程影響較小，又由于提前點火時滯燃期長，所以CA50與著火時刻的變化趨勢相似，且點火時刻的影響減弱．火花塞電極附近的混合氣濃度分層直接影響了火花放電后滯燃期長短，對于不同點火時刻，出現(xiàn)滯燃期最短對應(yīng)的噴油時刻基本處于-30°,CA ATDC附近是受燃燒室結(jié)構(gòu)和火花塞在缸內(nèi)位置共同決定的．柴油機缸內(nèi)以水平渦流為主要特征的流動形式?jīng)Q定了處于不同豎直高度上的混合氣難以通過空氣運動達(dá)到上下流動．對于固定噴油壓力，油束的氣相和液相貫穿距離固定，作為引導(dǎo)油束的活塞壁面存在一個最優(yōu)引導(dǎo)位置，該位置可以最大程度將油束引導(dǎo)至火花塞電極所在的豎直高度上，通過缸內(nèi)渦流運動在火花塞電極附近形成適宜點火的混合氣濃度分層，所以滯燃期最短對應(yīng)噴油時刻近乎相同．同時，受活塞形狀限制，部分噴油時刻噴出的油束無法穩(wěn)定地引導(dǎo)至火花塞附近，導(dǎo)致燃燒循環(huán)變動率大，而被引導(dǎo)至火花塞附近的混合氣會隨缸內(nèi)渦流運動，導(dǎo)致噴油和點火間隔過大時燃燒循環(huán)變動率大(圖4a)．說明噴油時刻通過影響混合氣分布對火花輔助汽油壓燃燃燒控制具有非常關(guān)鍵的作用．

圖4d為不同噴油和點火時刻下的燃燒持續(xù)期．同一噴油時刻下，適當(dāng)推遲點火對燃燒持續(xù)期影響較??；同一點火時刻下，燃燒持續(xù)期隨噴油時刻推后先縮短后延長，在-30°～-28°,CA ATDC附近噴油 時燃燒持續(xù)期最短，主要因為此時的噴油混合氣分布利于點火，且燃燒相位靠近上止點．

圖4 噴油時刻和點火時刻對循環(huán)變動率、滯燃期、CA50和燃燒持續(xù)期的影響Fig.4 Effectof fuel injection and spark timing on CoVIMEP，ignition delay，CA50 and combustion duration

圖5為噴油和點火時刻對燃燒效率、最高壓力升高率和指示熱效率(ITE)的影響．圖5a中，當(dāng)過早噴油時，由于油束噴入燃燒室頂隙和側(cè)隙處比例增加，該部分因靠近缸套和缸蓋壁面，溫度低不利于燃燒，導(dǎo)致燃燒效率低．當(dāng)噴油時刻推后時，噴入頂隙和側(cè)隙的燃料比例降低，并且CA50靠近上止點，缸內(nèi)溫度較高，故燃燒效率維持在較高水平．當(dāng)噴油時刻繼續(xù)推遲時，由于CA50相對滯后，缸內(nèi)溫度降低，燃燒效率略有降低．

圖5b中，對于同一點火時刻，隨噴油時刻的推后，最高壓力升高率先升高后降低，在噴油時刻為 -30°CA ATDC時壓力升高率最高．這主要是因為此時燃燒相位最早，CA50最接近上止點，壓力升高率 達(dá)到最大，而提前或推遲噴油都會使燃燒相位推遲，最高壓力升高率相應(yīng)降低．

圖5 噴油時刻和點火時刻對燃燒效率、最高壓力升高率、指示熱效率的影響Fig.5 Effect of fuel injection and spark timing on combustion efficiency，MPRR and ITE

圖5c中，隨噴油時刻推后，指示熱效率先減小后增大．指示熱效率主要受CA50的影響，隨噴油時刻推遲，燃燒相位過于提前增加了活塞負(fù)功及傳熱損失，噴油時刻為-30°CA ATDC時指示熱效率最低；當(dāng)噴油時刻繼續(xù)推后時，CA50逐漸后移，負(fù)功和傳熱損失減少，熱效率逐漸升高．而CA50過于滯后時，燃燒等容度降低，熱效率下降(點火時刻為-18°CA ATDC、噴油時刻為-22°CA ATDC工況)．

2.2 噴油壓力對火花輔助汽油壓燃燃燒的影響

已知對SAGCI燃燒控制起決定性影響的因素是點火時刻火花塞電極附近的混合氣濃度分布．噴油壓力對噴霧混合過程和缸內(nèi)混合氣濃度分布具有重要的影響，因而筆者將研究噴油壓力與噴油時刻協(xié)同變化對火花輔助汽油壓燃的影響．

噴油時刻為-30°CA ATDC對應(yīng)噴油壓力為60MPa下最佳導(dǎo)流位置，點火時刻為-20°CA ATDC可使不同噴油壓力下能穩(wěn)定燃燒的噴油時刻范圍較寬．噴油時刻為-30°CA ATDC、點火時刻為-20°CA ATDC時的缸內(nèi)壓力和放熱率如圖6所示．可知，提高噴油壓力則火焰?zhèn)鞑シ艧峒涌?，放熱整體提前，峰值壓力提前．

圖6 噴油壓力對缸內(nèi)壓力和放熱率的影響Fig.6 Effect of fuel injection pressures on cylinder pressure and heat release rate

圖7示出點火時刻為-20°CA ATDC時噴油壓力對循環(huán)變動率、滯燃期、CA50和燃燒持續(xù)期的影響．不同噴油壓力下的燃燒循環(huán)變動率隨噴油時刻推后都呈先減小后增大趨勢，與噴油壓力為60MPa時規(guī)律一致．相比噴油壓力為60MPa，噴油壓力為40MPa會使燃燒波動較小區(qū)域范圍減小，對應(yīng)的噴油時刻整體提前，同時CoV略高；提高噴油壓力至80MPa時燃燒穩(wěn)定性區(qū)域相對60MPa變化較?。?/p>

圖7b中，同一噴油壓力下的滯燃期隨噴油時刻推遲先減小后增大，隨噴油壓力提高，滯燃期縮短，且最小滯燃期對應(yīng)的噴油時刻隨噴油壓力的提高而 推后．這主要是因為循環(huán)噴油量相同時隨噴油壓力提高，噴油持續(xù)期相應(yīng)縮短(40MPa為9.63°CA(噴油脈寬為1070μs)、60MPa為7.47°CA(830μs)且80MPa為6.30°CA(700μs))，3個不同噴油壓力下滯燃期最短時的噴油結(jié)束時刻大致相同，再次說明活 塞壁面存在最優(yōu)導(dǎo)流位置．同一噴油時刻下，提高噴油壓力，滯燃期會隨之縮短，是因為高噴油壓力下油束貫穿距離增大，電極附近濃度適宜點火的混合氣增多，有利于火核形成和發(fā)展．圖7c中，CA50變化趨勢與滯燃期相似，隨噴油壓力提高，CA50提前，同時最小CA50對應(yīng)的噴油時刻滯后．圖7d中，提高噴油壓力會縮短燃燒持續(xù)期，主要是因為滯燃期的縮短和燃燒相位的提前．

圖7 噴油壓力對循環(huán)變動率、滯燃期、CA50和燃燒持續(xù)期的影響Fig.7 Effect of fuel injection pressure on CoVIMEP，ignition delay，CA 50 and combustion duration

圖8為噴油壓力對燃燒效率、最高壓力升高率 和指示熱效率的影響．同一噴油壓力下的規(guī)律與60MPa類似，較高的噴油壓力燃燒相位更早，可以獲得的最高燃燒效率更高．高噴油壓力下燃燒相位較早也會使得最高壓力升高率相應(yīng)升高．從噴油壓力對指示熱效率的影響來看，同一噴油壓力時指示熱效 率均隨噴油時刻推后先減小后增大，噴油壓力越高則指示熱效率變化幅度越大，其主要受CA50影響，隨噴油壓力升高，CA50距離最優(yōu)燃燒相位的程度不同．提高噴油壓力可以縮短滯燃期，使CA50提前較多，使得活塞上行階段放熱增加，負(fù)功和傳熱損失增多，導(dǎo)致同一噴油時刻下指示熱效率更低．

圖8 噴油壓力對燃燒效率、最高壓力升高率和指示效率的影響Fig.8 Effect of fuel injection pressure on combustion efficiency，MPRR and ITE

為了更全面地分析噴油、點火參數(shù)對熱效率的影響，圖9給出了火花輔助汽油壓燃的穩(wěn)定運行范圍 和最高熱效率點的燃燒放熱情況．不同噴油壓力下CoVIMEP＜5%的點對應(yīng)的噴油和點火時刻區(qū)域以及 最高熱效率點如圖9a所示．每個噴油壓力有特定 的適合點火的噴油時刻范圍，40MPa時為-34°～ -28°CA ATDC、60MPa時為-34°～-22°CA ATDC且80MPa時為-34°～-20°CA ATDC；不同噴油壓力下的保證穩(wěn)定燃燒的噴油和點火間隔不同，40MPa時間隔為4°～16°CA、60MPa時為2°～18°CA且80MPa時為2°～18°CA．提高噴油壓力可以拓寬同等循環(huán)油量下穩(wěn)定運行的噴油和點火時刻范圍，最高熱效率點基本都位于各噴油壓力下的穩(wěn)定運行范圍邊緣，即最短滯燃期所在噴油時刻(噴油壓力為40MPa時為-32°,CA ATDC、60MPa時為-30°,CA ATDC且80MPa時為-28°,CA ATDC)對應(yīng)的最晚點火時刻上．

圖9 穩(wěn)定運行范圍和最高效率點Fig.9 Stable operating conditions and highest efficiency points

圖9b中，火焰?zhèn)鞑シ艧犭A段的放熱率隨噴油壓力升高而升高．圖9c給出了3個最高熱效率點的火焰?zhèn)鞑ルA段放熱與自燃階段放熱的占比．自燃著火時刻定義為放熱率增長階段的二次微分的最大值[17]，該時刻將放熱率分為火焰?zhèn)鞑シ艧徇^程和自燃放熱過程．3個點從燃燒開始時刻到自燃放熱開始時刻經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角如下：40MPa為16.0°CA、60MPa為15.0°CA且80MPa為15.5°CA，從CA10時刻到自燃放熱開始時刻經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角都是7.0°CA，但是火焰?zhèn)鞑ミ^程放熱占比隨噴油壓力升高而增大，說明提高噴油壓力可以加快同等水平下的火焰?zhèn)鞑シ艧崴俾剩畬τ谧匀挤艧徇^程來說，并未出現(xiàn)非常高的自燃放熱率峰值，其最大壓力升高率也較低(40MPa為0.20MPa/(°)CA、60MPa為0.17MPa/(°)CA且80MPa為0.20MPa/(°)CA)．熱效率隨噴油壓力提高而增大，主要是來自加速的火焰?zhèn)鞑ルA段，增加了燃燒的等容度(圖9a)．在筆者研究的工況下，通過噴油時刻和點火時刻的優(yōu)化，在噴油壓力為80MPa下達(dá)到了最高指示熱效率(33.89%)．

3 結(jié) 論

(1) 噴油時刻和點火時刻是實現(xiàn)和控制火花輔助汽油壓燃低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵，每個噴油壓力 有特定的適合點火的噴油時刻范圍，40MPa時為 -34°～-28°CA ATDC、60MPa時為-34°～-22°CA ATDC且80MPa時為-34°～-20°CA ATDC；受活塞導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的影響，每個噴油壓力下存在使滯燃期最短和CA50最靠前的噴油時刻，隨噴射壓力提高，這一時刻滯后，40MPa為-32°CA ATDC、60MPa為-30°CA ATDC且80MPa為-28°CA ATDC，但此時壓力升高率也最高．

(2) 適當(dāng)?shù)狞c火時刻與噴油時刻間隔對保證良好的燃燒穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，不同噴油壓力下的穩(wěn)定燃燒的噴油和點火間隔不同，40MPa時間隔為4°～16°CA、60MPa時為2°～18°CA且80MPa時為2°～18°CA，可將循環(huán)變動率控制在5%以內(nèi)．

(3) 研究條件下適當(dāng)提高噴油壓力可以擴展穩(wěn)定運行的噴油、點火時刻范圍，同時可以加速火焰?zhèn)鞑シ艧徇^程、提高燃燒等容度，從而提高熱效率．